基于超聲橫波的混凝土結構無損檢測數據成像技術

(上海勘察設計研究院(集團)有限公司，上海 200093;上海巖土與地下空間綜合測試工程技術研究中心，上海 200093)

混凝土是房屋、橋梁、樁基等建筑結構工程中的主要材料，其質量直接關系到結構物的安全。因此，混凝土結構的無損檢測是結構健康管理中的重點方向。超聲波具有穿透能力強、適應性強、檢測簡單、成本較低等優勢，在建筑、水利水電等行業的混凝土無損檢測中具有廣泛的應用[1-3]。

超聲波在混凝土介質中傳播，會產生復雜的反射、透射、折射等現象，檢測效果很大程度上依賴于超聲檢測數據的成像結果。近年來，新的超聲換能器、陣列技術和數據處理方法的引入，帶動了超聲成像技術應用的發展。其中，超聲橫波反射法利用橫波不能在流體中傳播的特征，與超聲縱波法相比，其檢測效果對混凝土內部缺陷的反應更為敏感。常見的應用包括厚度測定、裂紋定位以及內置組件定位和非均質性的表征[4-6]。目前，對于超聲橫波反射法檢測數據的成像通常采用合成孔徑聚焦技術(SAFT)，國內外學者從理論分析、數值模擬、實際案例研究等方面對SAFT在混凝土超聲檢測中的應用進行了深入探討[7-11]，表明SAFT能獲得高分辨率的檢測圖像。但往往在實際檢測中，由于混凝土介質的非均質性和復雜性，超聲波速估計的不準確會導致信號不能被聚焦到真實位置，從而降低SAFT成像的質量。同時,超聲檢測數據中會存在大量隨機反射干擾信號，若未對噪聲進行有效壓制，將會影響SAFT成像的分辨率。

在油氣地震勘探領域，學者開發了各種成熟的地震數據處理方法，將傳感器記錄的來自地下介質的地震波信號通過振幅補償、濾波去噪、多次疊加、偏移成像等處理技術歸位到地下的真實位置，實現了對地下介質的成像。由于超聲波和地震波在固體介質中具有相似的傳播特征，故可將成熟的地震波數據處理成像技術應用于超聲波數據處理成像中，改進混凝土超聲波檢測數據的成像效果。

筆者對商用陣列式超聲橫波檢測儀的數據采集特點和儀器內置的合成孔徑成像結果進行了分析，然后基于地震數據處理技術建立了一套適用于超聲橫波檢測儀的數據成像處理流程，并結合實際模型案例對所提方法的成像效果和儀器內置SAFT的成像效果進行了比對。

1 超聲橫波檢測數據特點

研究對象為進口的超聲橫波斷層掃描成像儀器，該儀器由12排換能器陣列和一個控制單元組成，換能器既可作為信號發射裝置，發射超聲橫波，也可作為接收裝置，接收超聲橫波。探頭內的控制單元激活一排換能器作為信號發射端，而其他排的換能器作為信號接收端。圖1(a)為第一排換能器發射信號，其他換能器接收信號的過程示意。此后，下一排換能器發射信號，其右側的換能器接收信號。此過程循環重復，直至前11排換能器都已經激發過信號為止。整個信號傳播與接收過程如圖1(b),1(c)所示。可見，超聲橫波檢測儀一次采集過程中，隨著各排的依次激發，接收信號的換能器個數逐漸減少，這種單邊觀測的方式對反射界面并沒有實現均勻多次覆蓋(即對地下同一反射點進行重復觀測)，不利于壓制隨機干擾和增強反射能量。因此，文章基于超聲橫波檢測儀的數據觀測特點，依據地震中炮檢互易定理，構建均勻多次覆蓋觀測數據，再對構建的數據進行去噪、疊加、偏移成像等處理。

圖1 超聲橫波檢測儀信號傳播與接收過程

2 炮檢互易定理

在地震勘探中，炮檢互易定理定義了炮點和檢波點互換時激發和接收的關系，其意義是：當炮點和檢波點的位置、方向互換時，得到的地震道信號記錄是不變的[12]。其中共炮點道集和共檢波點道集拼合法原理如圖2所示。

超聲橫波檢測儀12排換能器之間均構成了單向波場的傳播路徑，依據互易定理，可對超聲橫波檢測儀單邊接收的信號進行數據重構，使每一次超聲換能器激發都能得到有雙邊觀測效果的數據，盡可能增加數據的信息量，實現對檢測對象內部反射點的均勻覆蓋，有利于壓制隨機干擾，提高數據信號的信噪比，進而改善后續超聲橫波偏移成像的效果。圖3(a)所示為超聲橫波檢測儀一次采集到的單邊觀測原始數據，經過互易定理重構后得到如圖3(b)所示的雙邊觀測數據，一次采集總道數從66道增加到144道。

圖2 共炮點道集和共檢波點道集拼合法原理示意

圖3 超聲橫波檢測儀單邊觀測原始數據和重構后的雙邊觀測數據

3 克希霍夫偏移成像

克希霍夫偏移法是一種加權衍射疊加的方法，在地震勘探資料的偏移處理中有很好的應用效果[13]。克希霍夫積分公式利用包圍空間任一點P的閉曲面上的波場值及其法向導數在該曲面上的積分來表示該點P的波場值。以三維無源項波動方程為例，偏移剖面可由近似克希霍夫積分解來表示，即M(x,y,z)表示為孔徑A上的面積分，可以通過記錄波場的加權時間導數沿衍射面的空間積分來計算得到，如式(1)所示。

M(x,y,z)≈

(1)

地震數據處理中克希霍夫偏移成像技術與超聲橫波的SAFT在原理上有密切相似性。克希霍夫偏移方法能適應任意傾斜角度的反射界面，對計算網格要求比較靈活。對于混凝土檢測對象，檢測界面多為平整界面，內部結構較為單一，介質橫向速度往往變化不大，因此，克希霍夫偏移方法完全適用于超聲橫波成像。

4 超聲橫波檢測數據處理流程

通過對超聲橫波檢測儀的采集觀測方式以及數據特點的分析，基于地震數據處理的思路，建立了一套適合超聲橫波檢測儀的數據成像處理流程，具體步驟如下。

(1) 對超聲橫波檢測數據進行解譯，基于互易定理將單邊觀測數據重構為雙邊觀測數據，按照多次覆蓋觀測方式對數據進行重新排列，得到一條檢測測線上多次采集的數據。

(2) 對多次采集數據進行預處理，包括拾取初值、直達波切除、振幅補償、去噪(濾波)、動校正。

(3) 根據重建的多次覆蓋觀測方式抽取共中心點(CMP)道集進行疊加，得到多次疊加成果剖面。

(4) 最后對多次疊加成果剖面進行克希霍夫偏移成像，得到最終成像結果。

5 大型實體模型應用案例

結合超聲橫波檢測儀在大型實體混凝土道床模型上的應用，對超聲橫波檢測儀器內置SAFT與文章提出的成像方法進行效果對比。

為了研究超聲橫波檢測儀對混凝土內部鋼筋結構的定位以及厚度的測定，按照真實隧道結構制作了1…1大型實體模型。該模型由多塊管片拱底塊拼接而成，管片上部道床尺寸、配筋設計如圖4所示。模型上、下層鋼筋直徑為14 mm，上層鋼筋距道床表面15 cm，中心處道床厚度為70 cm，在澆筑過程中采用塑料薄膜使道床與管片之間形成間隙，模擬實際道床脫開的情況。

圖4 混凝土道床模型設計示意

圖5為制作好的大型隧道道床模型實體照片，可見，沿管片延伸方向布置了一條檢測測線。圖6為檢測測線儀器內置SAFT成像的結果。成像剖面中，道床上、下層鋼筋結構反射清晰可見，道床與管片脫開界面處反射軸能量較強且連續性好，管片上預制的兩個小臺階處均存在較強的反射，導致道床底界面反射軸在臺階處存在間斷。但成像剖面中道床與管片脫開界面反射軸較“胖”，反射軸寬度約為10 cm，對于道床結構深度變化的測定，其成像結果會引入較大的誤差，成像分辨率不足，另剖面中下層部分鋼筋反射能量并不明顯。

圖5 混凝土道床模型實體照片

圖6 儀器內置合成孔徑技術成像剖面圖

圖7為文章方法處理得到的多次疊加剖面和偏移剖面。在多次疊加剖面圖中，道床底界面、管片預制小臺階的反射軸清晰可見，上下層鋼筋反射在疊加剖面中表現為繞射雙曲線特征。經過偏移成像后，在圖7(b)中可以看到鋼筋繞射雙曲線歸位到鋼筋實際的反射位置，同時管片預制小臺階和管片間斷處的繞射波也歸位到真實位置，反射界面更加連續，間斷處特征更加明顯。與儀器內置SAFT成像剖面(見圖6)相比，文章方法處理得到的偏移剖面中道床底界面反射軸更加“纖細”，反射軸寬度約為3 cm，成像分辨率明顯優于儀器內置SAFT的成像分辨率，具有較高的檢測精度；并且對道床結構內部上、下層鋼筋的成像也清晰可見，尤其下層鋼筋的成像效果明顯改善，剖面能量更加均衡。由此，進一步說明該方法對混凝土內部結構和結構厚度的檢測精度均有提高。

6 結論

文章通過分析進口超聲橫波檢測儀的采集方式和數據特點，對其檢測數據進行了解譯。借鑒成熟的地震數據處理技術，建立了一套適用于超聲橫波檢測數據的成像處理方法。最后，結合實體模型的檢測案例對所提出的數據成像方法進行了驗證，并與儀器配套的國外商用SAFT軟件成像結果進行對比，得到如下結論。

(1) 基于地震數據處理技術所建立的處理方法完全適用于超聲橫波檢測儀數據的處理，其成像結果能很好地刻畫混凝土內部鋼筋結構的分布以及層位界面的變化情況。

圖7 文章方法處理得到的多次疊加剖面和偏移剖面

(2) 與儀器配套的國外商用SAFT軟件成像結果相比，所提方法能顯著提升成像結果的分辨率，成像剖面中混凝土反射界面和對內部鋼筋結構的反應更加明顯，更有利于混凝土的精細無損檢測。